世界科技全景百卷书-海洋工程.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流世界科技全景百卷书-海洋工程.精品文档.海洋工程蓝色的星球 海水来自何方当我们打开世界地图，或站在地球仪的旁边，把地球仪转动一下，我们 会惊奇地发现，海洋的面积要比陆地的面积大得多，那一片片蔚蓝色就显示 出地球上的海洋之大。人类的第一次宇宙航行更加清楚地看见了地球在宇宙中的模样。宇航员 清晰地发现地球四周围绕着一层淡蓝色的光，就像镀着蓝色的金属茶盘挂在 空中。在地球 51，100 万平方公里的总面积里，海洋面积有 36，200 万平方 公里，占地球表面总面积的 71，而陆地的面积只有 14，900 万平方公里， 占地球总面积的 29。这就是为什么宇航员在太空中见到的地球是蓝色的缘 故。我们也不难理解我们身边的海洋是多么巨大，无怪乎人们要用“无边无 际”、“浩翰无垠”等词句去形容它了。面对着广阔的海洋，人们又会问：地球上的水究竟从哪里来？ 对于这个问题也有许多神奇的说法，我们大家都知道“盘古开天辟地”的神话。说的是很古很古的时候，我们生活的地球并没有个形状，原本只是 一片混沌的状态，天和地混在一起雾气腾腾，不分光明和黑暗，也没有上下 和四方，就像一个大大的看不见光亮的鸡蛋，里面没有光没有色彩，到处都 是昏暗和死寂。可是鸡蛋里却孕育着一条生命。他利用宇宙的精华作为养料，终于诞生 了世界上第一个人，他的名字叫盘古。浓雾包围着盘古，使他睁不开眼，无论向哪一方也都走不出去，仿佛关 在了满是雾气的黑房子里，气闷得令人窒息。有一次，他把双手往腰间一叉，忽然觉得腰上多了一个冰冷坚硬的东西， 拿起一看，竟然是一把锋利的板斧。有了武器，盘古非常高兴，就抡起板斧， 用尽全身气力朝那一片迷雾劈去。说也真怪，只听得轰隆一声巨响，无数尘 埃乱碰乱撞，仿佛打碎的蛋黄变成了无数星星在空中扩散开来。平静以后，盘古也觉得奇怪，原来，大鸡蛋竟然被板斧劈开了。轻清的 东西不断上升着，渐渐变成了瓦蓝瓦蓝的天空；重浊的东西则不断下沉着， 渐渐变成了灰黑的大地。盘古呢，为了不让天和地再混在一起，就站立在天地之间，头顶着天， 脚踩着地，巍然屹立。天，每日要升高一丈；地，每日要加厚一丈，天地稳 固了，盘古每天长高一丈，仍然头顶着天，脚立着地。就这样，过了 18，000 年，盘古活了 18，000 岁才死，天地也就形成了。 盘古终于倒下了，盘古死后，他的身体各部分变成了日月星辰、风、云、山川、田地、草木和金石，于是也就有了人间的万物。 其实，“盘古开天辟地”只是在人类处于蒙昧时代的时候，由于对自然现象不能正确地认识，总是把自然界万物的产生、变化、发展等等，归之于“神”，归之于一种超自然的力量，而这种超自然的“神”，又是人们按照 自己的形象“创造”出来的。在科学发达的今天，科学家对地球的起源和生命的起源不断地探索着。 据科学家们研究，宇宙中有着许多大大小小的由氢氦等气体以及一些来 自衰老了的星球爆炸以后而形成的固体尘埃气团，像巨大的云一样，飘在宇 宙之中。然后这些云再缓慢地收缩、集合产生旋转运动，最后诞生新的星球。地球就是这样形成的。在地球诞生的初期，地面上温度逐渐降低，包围 着地球的水汽，也冷凝成水滴，小水滴飘浮在天空，集结成云雾，落下来， 便是雨水。据说，大约在 1 亿10 亿年以前，在几千年，几万年里，地球上 不停地下着倾盆大雨，雨水冲刷着山岭，带走了泥沙和溶解的物质。于是地球上有了高山，有了凹地；在原始的江河里，浊流滚滚，奔向凹 地，形成了原始的海洋。这样我们该清楚了：地球上的水来自地球本身。海洋的温度海洋，以它千变万化，瑰丽壮美的姿态展现在我们面前。面对着神奇的 大海，我们不禁会想去探索那海洋深处的奥妙。在炎热的夏季，当我们来到碧蓝碧蓝的大海边，我们会身不由己地投入 到她的怀抱。当你在海里泡得浑身发抖，不得不上岸趴在烫人的沙滩上，让 火热的太阳再给你一些温暖时，你有没有想过，同样处在烈日炎炎之下，为 什么沙滩就灸热烫人，而大海却令人打颤。若在寒冷的冬季，泡在海水里却 又觉得似乎比岸上还暖和，如果你向下潜泳，就会觉得海越来越冷，这又是 为什么呢？人们经过研究发现，到达地球表面的太阳辐射能，大部分被地球吸收了， 只有一小部分反射回空中，而陆地和海洋表面吸热情况又不一样，陆地只吸 收太阳辐射能的一部分，剩下的就被反射回空中了，但是陆地是一种不能很 好传热的固体，既不透明又不流动。太阳即使再厉害些，也晒不透它，因为 不能很好地传热，它所吸收的热量只是集中在不到一毫米厚的表层内。而海洋上的情况就不同了，阳光投射在海面上，绝大部分被水分子吸收。 水分子吸收热量以后，又把自己“剩下”的一部分向更下边传递。愈往下传 递，热量也就愈少。海水除了吸收太阳热量向下垂直传递外，还依靠海水的 流动来输送热量。由于受地球自转偏向力的影响，形成海流。海流就可以把 赤道附近的热海水即暖流送到两极；而两极方向的冷海水也即寒流流向温暖 的地方，这样也可以进行海水的冷热交换。暖寒流对它们所经过地区的气候 都有很大的影响。当暖流到达时，当地的天气就会变得温暖潮湿；而寒流则 相反，天气会变得寒冷干燥。海水吸收热量因时间和地区的不同也不相同。 在夏季和白天，海水就接受比较多的热量，它可以把热量送到深层贮存起来，水温升高；冬天和夜间情况就不同了，海水接受的热量少，他又会把 贮存在深层的热量输送到表层。从地理纬度上看，赤道地区，阳光直射，海面温度较高；中纬度区域， 日射偏斜，温度较低。纬度越高，温度越低。因此太平洋的海面温度较高， 而北冰洋的海面温度比较低。还应该注意，海水在吸收热量的同时，也反射一部分到大气中。进入海 洋中的热量，把本来就处在永恒运动中的水分子加热了，使他们的活动能力 加强，于是有些水分子就能够脱离水面进入空中。大量的水分子脱离水面就 是蒸发，即把热量向外传送，海洋的热量收入和支出总是处于动态平衡中。 随着时间、季节、纬度的不同，海水的温度会有变化，但其平均温度却几乎 是相等的。我们不必担心海水的体温会变得越来越高。我们说了海洋有一定的温度，现在让我们看看海洋对天气是怎样产生影 响的。世界上许许多多的地区得到了海洋的照顾，海洋赋予它们适宜的温度和 充沛的水分。大陆在海洋的怀抱里，海洋把它温暖滋润。也许大多数人还不知道当阳光照射到地面上，给大气加了温，温度高些 的大气开始膨胀，上升变得稀薄一些，压力就减少一些；相反，阴天时，气 温低，空气密度大，就会下沉，压力就大一些。这样就产生了气压高低的变 化。太阳照射着地球，无私地把它的热量奉献给地球。海洋也不断地吸收热 量。被加热了的海水，又把它的热量还送给大气，也影响着大气的压力。我们知道温度高的物质总是向它邻近的温度低的物质传递自己的热量， 一直到双方温度相同。空气受热膨胀上升，遇冷收缩下降。热空气跑掉时， 海洋上的冷空气便会来填补它的位置。相反，当海洋上的空气受热上升时， 陆地上比较冷的空气又会跑到海洋上来，这样跑来跑去的空气就是风。跑得 快，风大；跑得慢，风小。夏天海洋吹来凉爽的风；冬天又送来温暖湿润的 风。因此海滨成为人们向往的好去处。海洋上温暖的风携带着潮湿的空气，碰到冷空气便凝结成水滴，变成雨 水纷纷落下来，有时则会变成冰雹或雪花降落下来。海洋对气候的影响，还 要根据当时当地的具体气象条件如温度、湿度、风向、风速、气压等等而定， 还要取决于当地的地理条件。沿海的大陆受海洋的影响比较大。例如英国终年温暖，雨量丰沛，气候 湿润。我国东南沿海由于受太平洋暖湿气流的影响，较内陆地区雨水丰富， 气候宜人。而远离海洋的内陆由于受高山的阻隔，湿润空气不易到达那里， 受海洋的影响会相当少。海洋，它调节着空气的温度、湿度，送来动植物赖以生存的水，哺育了 万物。生命的摇篮生命究竟是上帝创造的还是地球发展的产物，对于这个问题经历了一个 多世纪的争论，科学终于证明了生命是地球的产物。生命从单细胞的形成开始，它们在水中生活，自由自在地嬉戏、游弋、 繁衍和增殖。经过几亿年的演变，生命由低级向高级进化，不少生物的活动 舞台由大海移向陆地，人类也是这样，是在生物的发展演变中产生的。科学家通过对海底“化石”的研究发现，这些“化石”是古海底的一些 生物遗体。古老的海底在地壳的运动中有的上升成陆地、高山；有的继续下 沉形成海沟，经过亿万年的时间，海底动植物的遗体成了化石。人们从这些 化石所出土的地层，便可推知亿万年前的海洋里生命的活动情况。在距今五亿多年前的早古代寒武纪，单细胞原生动物已经是海洋里十分 活跃的居民了，这些原生动物有独立活动的本领，有刺激感应，它们能伸出 一些树枝状的“小脚”捕捉食物或改变自己的“行走”路线，趋向阳光或者 走向阴凉的地方。古海绵利用它周身的水管吸取着海水的养料；三叶虫吞食 着藻类。从浅海到几千米深的大洋里到处可见三叶虫活动的踪迹。在整个古 生代四亿多年里，三叶虫都在繁殖着子孙。在清澈的浅海里，像杯子一样的古杯动物拥挤地站立在岩礁上。蛹虫、古棘皮动物、甲壳动物、软体动物、 腔肠动物等等都是这时期的主要角色。从六亿年前的寒武纪到两亿年前的二 迭纪，海洋是一个繁荣的世界。生命在不断地进化。人出现在四亿年前的奥陶纪，经过志留纪和泥盆纪一代代繁殖着自己的 后代，成为海洋的主人，并逐渐走上陆地。以后不管地球上发生什么样的剧 烈变化，总有一些无颚鱼的后代能适应改变了的生活环境，变换着自己的身 体结构。到距今三亿年左右，它们越过了潮间带，爬上陆地，成为既可以生 活在陆地上，又可以回到水里的居民两栖动物。那时的陆地上，气候温暖而湿润，长满了高大的鳞木、封印木、沟鳞木 和各种羊齿植物，阳光在这里比海洋里要充足得多，生命赖以生存的氧气， 也更加丰富。慢慢地生物用来呼吸的肺变得越来越完善了。生命度过了两栖 阶段，脱离了海洋。到了二亿三千多万年前的中生代，爬行动物异常繁盛，以致于我们把一 亿八千万年前的一段时间称为爬行动物的时代。哺乳动物出现在距今一亿八 千万年前的中生代侏罗纪。又过了一亿一千万年进入新生代时，哺乳动物才成为陆地上的统治者。 和我们人类有直接关系的灵长类就是哺乳动物的一个分枝，它们的出现却要 晚得多，只有二千五百多万年的历史。而我们人类的祖先诞生在 300 万年前 的新生代第三纪，这是整个生命发展史上的一个重大事件，而 300 万年只占 了它的二百分之一。为什么海洋能在生命发展史上发挥这么重要的作用呢？这是因为海洋具 备了生命生存和发展的必要条件。海水里溶解着各种各样的营养物质，如碳 酸盐、硝酸盐、磷酸盐、氧这都是生命所不可缺少的。海洋拥抱了那些 原始的生命，充足的海水使得这些生命可以进行新陈代谢。至今，水一直是 生命的“命根子”。海洋把阳光挡住，使得生活在它怀抱里的生命免受阳光的杀伤，特别是 免受紫外线的伤害。海水吸收了阳光，表层变得温暖起来，这层温暖的海水 就是生命的襁褓。它覆盖着怀里的“婴儿”，使得它们不会被冻死。这些原 始的生命，生活在海洋里，它们吸收营养和排泄废物的那一部分器官进化成 了消化和排泄器官；它们经常用来感觉光线的那一部分进化成了眼睛；它们 用来活动的那些枝桠进化成了鱼鳍；那些支配和协调动作的一部分进化成为 神经和脑。生命就这样成长、进化，后来有一些离开自己的故乡，来到陆地； 有一些则被留在海洋里。现在的鱼、虾、贝、藻还可以算作人类的远房表亲 呢！那么，是不是海洋一直那么细心温柔地照料自己“创造”的生命呢？说 实在的，地球根本不把海洋放在眼里，海洋也没有心思去关心怀抱里的生命。 地壳运动使岩层断裂，海底火山爆发，炽热的岩浆把海水变成腾空的蒸汽， 亿万生命一刹那间化成云烟，飘散到空中；寒风带着一股冰冷的海水冲了过 来，把一群鲜活的生物变成埋藏在海底的尸体；地壳升高，大片的海水被分 隔开来，阳光肆意施展威力，把水晒热、烤干，迫使泥水里的生物张开嘴呼 吸在大自然面前，能存活的生物就传宗接代，繁衍下来；不适应新环境 的生物则被淘汰，在地球上消失了踪迹。也有不少侥幸从自然选择的网眼里 逃脱了出来的，成为今天的活标本。1952 年在印度洋捕到的一条马氏矛尾 鱼，就是一例。这条马氏矛尾鱼是两亿年前海洋里总鳍鱼的近亲，它们侥幸躲过了大自然的选择，一直把祖先遗传的体形保存到现在。 海洋中的生物死亡后，它们的钙质骨骼沉降在海底，逐渐被挤压成数百米厚的岩石，它们的肉体被封闭在岩石缝隙里，在一定的温度和压力下变成 黑乎乎的粘稠的液体，也就是海底石油，它是人类生活所不可缺少的能源。 海洋孕育了生命，又是生命幼稚时期的摇篮。现代的海洋更呈现出一派 生机勃勃的繁荣景象。成千上万种生物被拥抱在它蔚蓝色的怀抱里，从海洋 那儿获得营养，繁殖着后代。那些小型生物，如硅藻、海球藻和小型水母、 箭虫、小甲壳动物等等，随波逐流，称为浮游生物，它们是海洋里那些小居 民们的粮食；而那些人们熟悉的鱼虾、海兽、海龟等，它们的游泳能力较强， 称为自游动物；那些生活在海底的生物，有的固着在岩石上，有的躲藏在泥 沙里，有的附着在其他生物身上，有的缓慢地移动着笨重的身体人们称 它们为底栖生物。海洋无私地哺育着这些生物，经过亿万年的演化，终于发展成现今我们所见到的海洋生物界。永不疲劳的海洋翻滚的海浪每个人大概都见过这样种现象：一张纸或船在水中漂浮时，它们是随着 波浪上下起伏的，波形在水表面水平运动，而纸张或船虽仍然上下起伏并没 有作水平方向的运动。它一会儿被举到波浪尖上，一会儿又落入两个波浪的 凹处。海浪的形状几乎是差不多的，一凹一凸起伏不断，凹下的低处就是波 谷，那凸起的波浪尖称为波峰，波峰和其相邻波谷之间的距离即波浪的高度 称波高。两个波峰间的距离就是波浪的长度波长，波形的传播速度叫波 速，即波速波长周期。两个相邻的波峰先后出现的时间间隔就是波浪的 周期。那么，波浪是如何形成的呢？ 民间流传着“无风不起浪，有风高三丈”的俗话，道出了风浪产生的条件和原因。 风吹在海面上，风借助与海面的摩擦作用，把能量传递给海水，从而形成层层波浪。风力越强，风吹的时间越久，波浪获取的能量就越多，浪越大； 风吹的范围越大，水面上的浪区越大。海水是由无数的水质点集合起来的。 在静止状态时，每个水质点都在自己的平衡位置上，而在风的作用下，水质 点不断获得能量，使得波高、波长增长，使水质点失去平衡。而它们又迫不 急待地要回到原来的位置上，但不可能立即回去，这样就造成它们各自绕着 自己的平衡位置打转。当波浪不再接受风的能量，外力消失，那么水质点就 会回到平衡位置，静止下来。在海洋里，水面船只往往颠簸动荡，而在海洋深处的潜水艇却平安无事， 这是怎么回事呢？原来，越向深处水质点受到风的影响越小。波浪随着深度 的增加越来越小，直到停止为止。一个波高为 10 米，波长为 200 米的波浪， 在 200 米的深处，它的振幅减小到 10 毫米，也就是说海面上的这样大的巨浪， 到 200 米的深处只不过引起两厘米的波动而已。不仅水质点的振幅变小，它 们的速度也减慢了。所以尽管海面上巨浪滔天，在不太深的海里却胜似闲庭， 风平浪静，潜水艇稳如泰山。我们讲到的海浪包括风浪、涌浪及近岸波。上面我们介绍的就是风浪， 那么当风浪离开风区时是不是就静止下来呢？航海家在海上常会遇到这样的 情况：明明是风和日丽，海面上却巨浪如山。原来海面并不随着风的转向（或 停止）而立即安静下来，却持续波动一个相应长的时期，它们向邻近的海域 传播出去。但是这时的波动和在风咆哮时却大不相同，波面上比较平缓，波 峰要圆滑得多，波长也显然长得多，以周期和波高都相同的列波开始运动， 特别是当它们向邻近的海域传播出去的时候，波长变得越来越长，传播速度 越来越快，波高也越来越低矮了，这种由风区传入无风区的海浪，以及风停 止或转向之后，脱离风的作用而继续朝着原有的方向传播的波浪就是涌浪。 当风浪或涌浪从大洋传到近岸浅海地区时，受到海岸地形的约束，只好 改变自己的方向。当我们站在海边眺望层层波浪时，总看到他们排着几乎和 海岸平行的长队向岸边涌来。这是因为波浪在深水处传播的速度比在浅水里 快，水越浅，它们的下部受到海底的摩擦力越大，行动就慢了。当波峰线的 一端先进入较浅的地方时，行动就迟缓了些，同时，在较深的那一端行动仍 较快，一快一慢，两者在等深线附近速度趋于相近，而近岸的等深线又大都 和海岸平行，所以人们就会看到一排排大致与海岸平行的波浪滚向岸边，退潮时也会在海滩上留下和海岸平行的沙纹。 波浪来到岸边会发生各种不同的情况。如果是陡峭的岩岸，它们就扑上去冲击；如果是斜斜的砂砾或泥质的海岸，它们在坡度较大时形成卷波，坡 度小时就形成崩波。不管是什么波，由于长年累月地冲上来，滚下去，都会 使海岸或被冲击、侵蚀，或被堆积。你看那些七零八落的巨大的石块就是岸 边的花岗石长期被波浪冲击的结果；那海边光滑的砾石，又是岩山的化身； 粉状的砂子，又是砾石的未来呢！海岸在波浪的作用下昼夜不停地被破坏着， 又被塑造着。当前进的波浪碰到陡峭的岩岸或长长的海堤或其他建筑时，除了向前冲 击外，还被反射回来。反射回来的波就重叠在前进的波浪上，使波形只在原 地上下波动，既不前进也不后退。人们为了把它与前进波区别开，称它为“驻 波”。驻波振动最大的地方叫“波腹”，不振动的地方叫“波节。”波腹处 垂直流速最大，波节处水平流速最大。发生驻波的地方海面会升高，更由于 波节处的水平流速大，所以冲刷力量强，因此在海港建筑施工设计中就要特 别考虑驻波的影响，采取加强基础等措施。波浪中蕴藏着巨大的能量。一个拍岸浪对海岸的压力每平方米可达 50 吨。在风暴中，巨浪曾把一个 1370 吨重的水泥块推移了 10 米。1894 年 12 月的一天，美国西部太平洋沿岸的哥伦比亚河入海口，发生了一件奇怪的事。 那里有一座高高的灯塔，旁边还有一座小屋，灯塔看守人就住在里面。 一天，看守人忽然听见屋顶上响声如雷，他吃惊地回过头，还没来得及闹清 是怎么回事时，只见一个黑色的怪物带着劈里啪啦的声响，穿透天花板坠落地面。 看守人吓坏了，他战战兢兢地走到那黑色怪物的面前，简直不敢相信，这竟然是一块大石头！搬搬挺重，称称则足有 64 公斤。经过专家鉴定，断定 这块石头是被海浪卷到 40 高的天空，再砸到看守人的房顶上的。海浪的力量如此巨大，它能把 100 斤重的石块抛到比十层楼还要高的上 空，说起还真有点让人难以置信。喧嚣不息的海上波浪，确实具有千钧之力。根据观测，海浪拍岸时的冲击力每平方米会达到 30 吨，大的甚至达到 60 吨，具有这样冲击力的巨大海 浪，可以把一吨重的巨石抛到 20 米高的空中。有人计算过，一个波高二米，周期五秒的海浪在一公里宽的海面上至少 可以生产二千瓦的电力；一个波高三米，周期七秒的波浪，在十公里长的海 面，可提供的电力达三万千瓦，相当于新安江水电站的发电量。而它却可任 你利用，决不会枯竭。海浪对海上航行、海洋渔业和海战都有直接的影响。巨大的海浪迫使航 海停止、渔船归港、水上的飞机进入机库，水上作业无法进行。在大风前后， 海洋里的鱼类往往密集成群。捕鱼时，掌握“抢风头，赶风尾”常能取得可 喜的渔获量。在海军布设水雷时，也要了解海浪状况，否则，巨大的海浪往 往会拉断雷索或破坏水雷。因此长期地积累大量海浪的资料并进行计算分 析，从而预报某些海区的风浪、涌浪，就成为海洋科学研究中的重要课题了。 我们知道不只是风或气压剧变能引起海面异常升降，使海水作巨大的运 动。海底或海岸附近的地震、海底火山爆发，都可以使得海水奔腾起来，这种规模巨大的海水运动，人们称之为“海啸”。1960 年 5 月 22 日，智利中南部发生地震，所产生的波浪，在智利沿海 平均波高为 10 米，最高达 25 米。当时，日本接到了地震的预报，但是，他 们认为地震发生在南半球的智利，日本离智利 17， 000 公里远，不会 有什么灾害，没有采取必要的措施。没想到过了 21 个小时，正当人们休息之 时，排山般的海浪猛扑过来，仅在日本东海岸岩平县的野田湾一处，就有一 百多人毙命，5，000 余间房子被冲走或损毁。海啸给沿岸的居民带来了难以估量的灾难。在过去被认为是“天灾”， 是无法抗拒的。今天已经可以通过人造卫星对海啸和其他灾害性天气进行监 测。可以根据天气预报采取更为有效的防御措施，把它们带来的灾害减少到 最低的限度。奔腾的海流很久很久以前，美国旧金山市有一个童工，他在海滨浴场拾到一只瓶子， 其中有张纸条写着“我的遗嘱：将我的遗产平分给拾到瓶子的走运人和我的 保护人巴里·科辛。”这是哪里来的东西呢？经调查得知，写遗嘱的人是英 国一个拥有 12 亿美元财产的资本家，瓶子从英国怎么会漂洋过海到达美国 呢？一百多年前，美国探险船“珍尼特”号探险北冰洋，刚出白令海峡就遭 冰块挟持，漂流到东西伯利亚海上，最后被压碎。船员有的葬身海底，有的 到了西伯利亚岸边。但奇怪得很，“珍尼特”号破碎的残物和船上生活用品， 却漂到几千里以外，出现在大西洋格陵兰岸边的冰块上，这又是怎么一回事 呢？大洋中新形成的岛屿，开始时无任何生命迹象，但是过了几年，岛上草 木繁盛，并出现蛇、蜥蜴等动物，这些生物是从哪儿来的呢？天上掉下来的 吗？美国海洋学家富兰克林也碰到了一个难题：美国轮船横越大西洋，通常 比英国轮船穿过大西洋快两个星期，这是什么道理呢？原来海洋中有条条“大河”，它们比长江、黄河还要大。“珍尼特”号的残物是一条自东向西的“河流”把它从太平洋带过北冰洋，到达大西洋北 部的；岛上的生命是因为“河流”从遥远的地方带来了植物种子，动物幼卵， 使它们在岛上生根、开花和繁殖后代。至于美国轮船航行快是因为船长利用 了时速为 48 公里的“河流”的缘故。这种河流跟陆上河流一样，沿着一条比较固定的路线流动着，长度有几 千公里，甚至上万公里的；宽度从几公里到几百公里，深度从几百米到上千 米；流速一般是每小时几公里，快的达到八、九公里，越深流速越慢。人们不禁要问，这么大的河流怎么看不到呢？原来，陆上的河流有河岸 做参照物，人们一眼就能看到了。但海洋“河流”的岸边仍是海水，所以用 眼就不容易看到。这种河流处于海洋中，故把它叫做海流或洋流。那么，海洋中的海流又是怎样形成的呢？它是风吹拂海面引起的。风对 海面的摩擦力，以及风对海浪迎风面所施加的压力，迫使海水向前移动，从 而形成了风海流。表面海水在风力作用下，沿着风的方向流动，紧靠着表面 的下层海水也将一起流动。不过，由于地球自转偏向力和摩擦力的作用，流 动方向会产生偏向。在北半球，表面的流向偏于风向右面 45°。从表面往下， 由于继续受到摩擦力和地转偏向力的作用，其流向与表面风向之间的偏夹角 越来越大，到了某一深度，其流向终将与表面流向相反。海流的速度，则随 着深度的加大而减小，在流向刚好与表面流相反的深度上，其速度只有表面 流速的 123 左右。这一深度作为风海流的底边界，再向下就没有风海流 了。一般说来，风海流所能涉及的深度是不大的，大约 200300 米左右，这 个深度和大洋整个深度比起来，只能算是很薄的水层。不过 200 米以内的浅海风海流，由于海岸、海底的摩擦作用，表面流向 与风向的夹角很小，而且随深度的变化比较缓慢。海的深度愈浅，偏角愈小， 在深度很小的海区内，风海流的方向几乎与风向一致。既然风可以形成海流，那么地球上风的情况如何呢？ 由于地球上各地气温高低不同，这样就形成了各种气压带。在赤道和低纬度地区，气温高、空气受热膨胀上升，这样就形成了赤道低气压带；而两 极地区的气温低、寒冷而稍重的空气下沉，形成了极地高气压带。同样，地 球上还有副热带高气压带、副极地低气压带。它们之间相互流动构成了一个 环，由于受地球自转偏向力的影响，形成了赤道无风带、信风带、西风带和 极地东风带。在赤道附近到大约南北纬 5°之间的地区，太阳终年直射或近于直射， 气温高，空气膨胀上升，地面出现了赤道低气压带。这里空气平流作用微弱， 风力极小，形成赤道无风带。赤道空气膨胀上升了，其高空气压高于附近上 空气压，于是向两边流动。由于地转偏向力的影响，到了南北纬 30°附近， 气流不再前进而发生大量堆积与下沉，形成了副热带高气压带。这里空气又 分向南北两边流动，流向赤道低压带的气流在地球自转偏向力的影响下，北 半球的北风向右偏转成东北信风，南半球的南风向左偏转成东南信风，两种 信风所在地就形成信风带；流向副极地低气压带的气流，由于地球自转偏向 力的影响，北半球与南半球的北风到了纬度 40°60°之间都偏转成西风， 这个地区形成西风带。南北两极附近所得到的太阳辐射能特别少，那里的气 温特别低，空气密度很大，因而形成了极地高气压带，从这里吹向副极地低 气压带的风，受到地球自转偏向力的影响，都偏转成极地东风，形成极地东 风带。既然风有流向定向风，自然要推着海水跑起来了定向流。但是 却不要忘记“地球自转偏向力”，海水一旦被风推动，开始流动，这个力就 起作用了，它总是把海流扭转，在北半球偏到风向的右方，在南半球偏到风 向的左方。北半球的东北信风和南半球的东南信风，把海水推动起来造成宽 达几百公里的南北赤道暖流，在赤道无风带，夹在南北赤道暖流之间的是一 条窄小的赤道逆流。在菲律宾附近，北赤道暖流北上形成世界闻名的“黑潮”。这股势力强 大的暖流，给亚洲东岸带来丰富的雨水、温暖的空气和肥美的鱼虾。由于地 球自转偏向力的影响，“黑潮”到达日本群岛东南之后，约在北纬 40°50°的水域进入西风带。西风迫使它向东流动，形成西风漂流或北太平洋海流。 当它碰到北美大陆时，分出一股“小部队”北上，而“主力部队”则顺势南 下。由于已经在西风漂流阶段失去了热量，使它成为一股“寒流”“加 利福尼亚寒流”，补偿了北赤道暖流带走的海水，同时又与北赤道暖流衔接 起来，这样，就构成了北太平洋顺时针方向的环流。却说那支北上的“小部队”，向北绕到阿留申群岛，一直把温暖的海水 送给北冰洋。这时，在北极极地东风的推动下，一个逆时针方向的海流在北 冰洋里转动着，形成北太平洋寒流。碰上亚洲陆地后，沿堪察加半岛南下， 成为亲潮或千岛寒流。亲潮南下不断地把冷海水从北冰洋带入太平洋。由于 它的水温低，密度大，在与西风漂流相遇时，一部分潜入西风漂流之下，另 一部分跟随西风漂流向东流，因而在高纬和极地附近，形成一个水温较低的 冷水环流系统。同样道理，在南太平洋里，有南赤道暖流、澳大利亚暖流、秘鲁寒流和 西风漂流构成的反时针方向的温水环流系统。风吹在海上推动着表层海水流动，但并不是那里的海水上下一齐以同样 的速度流动。不难想象越向深处，风的作用就越小，风海流的流速随着深度 的增加而减小，在摩擦力和地转偏向力的影响下，海流的流向和风向的夹角 越往深处越大，在一定的深度就出现相反的流向。风把一个地方的海水带走了，邻近的海水就要来补充，这种为了补偿流 失而流来的大量海水，就是“补偿流”。补偿流可以是水平流动，也可能是 深层海水的上升运动上升流。上升流来自 100300 米的深度上，上升的速度非常缓慢。速度虽小，但 其作用却不可低估。它源源不断地把营养盐输向表层，使得海水格外肥沃。 据调查上升流地区的生产力比大洋的其他海区高得多。高生产力导致浮游生 物大量繁殖，又为鱼类提供了丰富的饵料，所以上升流区也是重要的渔场。 例如秘鲁渔场，就是处在上升流区，因此，形成了一个世界第一大渔场，每 年能捕到 1100 万吨鱼。由于某一海区的增水，或者是下雨，或者是大量的河水注入，这里的水 面就会增高些。“水往低处流”，就会产生“倾斜流”。气压的变化也会使 得海面倾斜，气压高的海区，海面会低一些，这样气压低的海区里的海水就 要向低处流动了。海洋里海水的密度各地不同，上下有别。密度大的海区里海水要比密度 小的海区里海水低一点，海水就会从密度小的海区向密度大的海区里流动 了。由于密度水平差异而产生的海流，称为“密度流”。当海水涨潮时，会出现涨潮流，落潮时又会出现落潮流。它们来回方向相反，流速也不同，这叫“潮流。”它们在海流的家族里也占着一定重要位 置。因为潮汐总是涨了又落，落了又涨，因而潮流具有周期性，特别是在浅 海近岸处，潮流的影响就更明显。这里我们特别要提一下，印度洋里海流的情况。印度洋北部面积小，不 利于环流的发展。另外，印度洋是世界上季风最显著的地区，夏季盛行西南 季风，海水运动趋势呈东西东北方向，形成西南季风流。冬季盛行东北 季风，在东北季风的作用下，海水向西和西南方向流动，称为东北季风流。 中国古代航海家在远航南亚、西亚和东非时总是选择在冬春出航，夏秋返航， 就是为了利用北印度洋海流的这一规律性。南印度洋在南纬 10°以南与大西 洋、太平洋南部相似，形成了反时针方向的大洋环流系统。总之，海流可以说有这样几种：风海流、补偿流、倾斜流、密度流、潮 流，从它们的温度上可分为寒流和暖流。暖寒流交汇的水域可形成渔场，例 如北大西洋的暖流和北冰洋南下的寒流交汇的海域，从北海、挪威海一直延 伸到斯匹次卑尔根群岛的海流，形成了北大西洋渔场，即北海渔场。这里盛 产鳕鱼、鲱鱼、鲑鱼和虹鳟鱼。这里，湾流值得单独说一说，它是北大西洋西部最强大的暖流，势力强 盛，每小时有高达 8 公里的速度，宽度 110120 公里，最大深度可达 800 米，所挟水量每分钟有 40 亿吨之多，千倍于密西西比河的流量，表层水温约27，温度向北递减。 湾流像条巨大的、永不停息的暖水管，以巨大的热量温暖着所流经地区的空气。西欧和北欧沿海地区，在它的温暖下成为暖湿的海洋性气候。据估 计，湾流每年供给北欧一厘米长海岸线的热量，大约相当于 600 吨煤的热量。 这些热量使欧洲西北部的气候温和，在冬季最冷的月份，那里的平均气温也 要比同纬度其他地区的平均气温高出 1620。在欧洲北冰洋沿岸，即使亚 寒带地区的港湾也能保持终年不冻，前苏联摩尔曼斯克一月平均气温在 11 以上，就是湾流的功劳。海流的运动是相当复杂的，即使在同一海域里，也并不是只有一种海流 存在，而是好几种海流同时存在。此外，又受沿海陆地和岛屿的阻隔、海底 地形的起伏、气象变化等因素的影响，这样就构成了同一海域海流的多样性。 但是在一定的时间、空间里总有占主导地位的海流。为了了解它们的状况， 就需要作详尽的观测，绘制出海流图来。这里所说的海流图只是海洋表层的海流情况，那么在几千米的深处是否 也存在海流？经过多次海洋调查，人们逐渐认识到，在表层流之下，也存在 着多层次的海流。它们是由海水密度不同引起的。比如说南极水域、亚热带 水域。由于这个海区的降水量大大地超过蒸发量，所以底层水有明显的低盐 特征，虽然这里的盐度很低，但是温度也比较低，因而比表层水有更大的密 度，所以它在表层水之下形成了中层流。大西洋挪威海海水下沉形成了深层 流，南极威德尔海的海水下沉形成了底层流。当然底层海流流动是很慢的，有人估计，南极底层水流到赤道就要花1500 年，而大洋表层流循环一周只需一年时间。汹涌的潮汐唐朝诗人白居易曾描写海潮：“白浪茫茫与海连，平沙浩浩四无边。”居住在平原海岸的人会看到：滚滚而来的潮水，在和风吹拂下，掀起雪白的 浪花，过了一定的时间，海面渐渐下降，露出了漫长的沙滩。上面有跳跃着 的弹涂鱼、蚶足、大小不一的招潮蟹、随手即得的黄泥螺这种使海滨景 色发生有规律变化的海面涨落现象，称为潮汐。白天里的海水涨落叫“潮”， 晚上的海水涨落称为“汐”。潮汐是一种有规律的自然现象。宋朝科学家沈括，曾经在海边仔细观察 过海潮变化的情况，他发现：每当月亮正好上中天或下中天的时候，则发生 海潮，测候起来绝对没有差错。而且，当朔或望时（阴历初一和十五）涨大 潮，上弦和下弦时（阴历初七、初八和甘二、甘三）涨小潮。但海洋潮汐的 涨落现象是因时因地而不同的，同一纬度海区的不同地点，潮汐涨落规律并 不一样，即使相近的海区，潮汐的情况也不尽相同。我国沿海大部分地区每 天有两次涨潮和两次落潮，相邻两次高潮或低潮潮位差不多，涨潮的时间和 落潮的时间也差不多长，我们称为“半日潮。”在另外一些地方又出现另一 种情况：如我国南海北部湾里世界上最典型的“全日潮”，一天只出现一次 高潮和一次低潮。还有介于上述两种类型之间的情况，就是“混合潮”。它 可分为不正规半日潮和不正规日潮。不正规半日潮基本上具有半日潮的特 性，但在一日内相邻的两个高潮和低潮的潮高相差很大，涨潮时间和落潮时 间也不等。不正规日潮在一个月内的大多数日子为不正规半日潮，但有时也 发生一天一次高潮和低潮的全日潮现象。混合潮里，有的地方半日潮性质多 些，有的地方全日潮性质多些。潮汐现象是如何产生的呢？人们在探索这个问题时发现高潮时（或低潮 时）并不是每天一样的总要拖后一段时间大约 50 分钟。这段时间恰好和 月亮每天到达天顶推迟的时间相同。而每月的大潮或小潮和月亮的圆缺有关 系，长期的观察证实了潮汐现象与月亮有密切的关系。如著名的唯物主义哲 学家王充指出：“涛之起也，随月盛衰。”到了 17 世纪末，牛顿提出了万有 引力之后，对于潮汐现象有了更进一步的认识。依据月球对地球的引力在地 球表面上分布的不同，可以解释潮汐的成因。潮汐是由于月亮和太阳对地球 不同地方的海水质点的引力不同而形成的。原来，地球吸引着月球，月球也牵引着地球，好像母亲拉着孩子在空间 旋转似的。它们一方面各自本身自转，另一方面又各自绕地月系公共质量中 心作圆周运动，而不能只讲月球围绕地球旋转。由于地球的质量比月球质量 大 18 倍，所以，公共质量中心偏于地球一侧，大致在地球内部，离地心约4650 公里处。 地球上的物体，除了受地球引力约束外，还要受到地球围绕地球月球公共质心运动所产生的离心力的影响，什么是离心力呢？我们用一根绳子 拴着一块小石头，一手捏着绳子抡着小石头作圆周运动，手就感到有一股向 外甩的力，这个力称为石头的离心力。所以，地球绕地月质心运动时，地球 上的海水质点也会受到一种离地球而去的力。不过，地球上不同地方的海水质点都要受到月亮的引力，引力的大小因 地球各点距月亮中心远近而有所不同，距月亮中心近的引力大，远的则引力 小。又由于地球和月亮绕着地月公共质心的运动可近似地当作匀速圆周运 动，地球上各个质点所作的这种运动都是相同的，这样，它们所受到的离心 力，也可近似地认为大小相等，方向皆为背离月球的方向。地球上质点所受 到月球的引力和离心力的合力，就是产生潮汐的原动力，人们称它为引潮力。在地球上，地心处受到的月球引力和离心力大小相等，方向相反，两者 抵消。在地球的其他地方，引力和离心力未能相互抵消，均有大小不等，方 向不同的引潮力。不过，地球上向着月球的一面（向月面），离心力小于月 球的引力，引力起主导作用，海水向着月球方向流动，逐渐升高，从而形成 高潮。地球上背着月球的一面（背月面），离心力大于月球的引力，离心力 起主要作用，海水背着月球方向集中，也可产生高潮，因为海水向两头鼓起 来，中间部分的海水就必须凹进去，海面慢慢下降，造成低潮。这样，海面 像鸭蛋似的成为一个椭球体，在表面